配套鋼橋疲勞分析

1、北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司鋼橋疲勞分析 崔杰北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司Part2：鋼橋疲勞分析案例1. 分析概要2. 分析步驟3. 模型建立4. 靜力分析 5. 疲勞分析6. 分析結(jié)果北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司內(nèi) 容Part 1: 疲勞分析理論1. 疲勞概念2. 評價(jià)方式3. S-N曲線4.疲勞壽命5.疲勞損傷度6.復(fù)合加載7.Miner法則8.平均應(yīng)力效應(yīng)9.鋼橋疲勞分析（BS5400） Part 1：疲勞分析理論北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司1. 疲勞是？疲勞是重復(fù)加載導(dǎo)致的材料破壞。與斷裂破壞相比，疲勞破壞出現(xiàn)的平均應(yīng)力會(huì)比斷裂破壞時(shí)的應(yīng)力小很多。北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司2. 怎樣評價(jià)？抗疲勞的特性可以用S-

2、N曲線來代表。S-N曲線用鋼材在常幅應(yīng)力下的重復(fù)次數(shù)來表示。Typical curve for concrete steel reinforcementRodStress0StressrangeFatigue limit or Endurance limit北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司3. S-N 曲線抗疲勞的特性可以用S-N曲線來代表。S-N曲線用鋼材在常幅應(yīng)力下的重復(fù)次數(shù)來表示?？蛊谄茐牡奶匦灾苯优c應(yīng)力幅值相關(guān)。畫出應(yīng)力幅S與疲勞重復(fù)次數(shù)Nf的相關(guān)曲線叫做S-N曲線。施加荷載是常幅荷載。破壞為止的加載重復(fù)次數(shù) = 疲勞壽命北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司4. 疲勞壽命疲勞壽命是材料在破壞發(fā)生前能夠承受波

3、動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變的重復(fù)次數(shù)。疲勞壽命與波動(dòng)應(yīng)力、構(gòu)件幾何形狀、試驗(yàn)條件相關(guān)。北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司5. 疲勞損傷度為評價(jià)給定應(yīng)力幅的作用下，構(gòu)件破壞前能夠承受的加載重復(fù)次數(shù)，引出損傷度的概念。If number of load cycles resisted is 10,000 for a given stress range,Fatigue damage = 0 means: 10,000 load cycles can be applied before fatigue failure.Fatigue damage = 0.9 means: 1,000 load cycles can be a

4、pplied before fatigue failure.北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司6. 復(fù)合加載（Complex loadings）對于變幅應(yīng)力下疲勞損傷度，Miner提出評價(jià)損傷度時(shí)可以將各單獨(dú)應(yīng)力的重復(fù)次數(shù)進(jìn)行線性疊加得到總的損傷度。北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司7. Miner 法則（Miner rule）對于疲勞破壞可以看成材料損傷的累積。累積損傷假定每個(gè)荷載循環(huán)產(chǎn)生相同程度的材料損傷。Miner 法則也就是線性累積損傷法則。北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司8. 平均應(yīng)力效應(yīng)（Mean Stress Effect）平均應(yīng)力值越大，疲勞壽命越短。Goodman和Gerber修正北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司8.

5、平均應(yīng)力效應(yīng)（Mean Stress Effect）Su: Ultimate tensile strengthSe: Fully reversed fatigue strength北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司9. 鋼橋疲勞分析（BS5400）疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不考慮損傷度 應(yīng)力幅最大值 滿足上式，即疲勞壽命滿足規(guī)范要求?？紤]損傷度北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司9. 鋼橋疲勞分析（BS5400）疲勞構(gòu)造細(xì)節(jié)北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司9. 鋼橋疲勞分析（BS5400）疲勞曲線北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司9. 鋼橋疲勞分析（BS5400）疲勞荷載Part 2：鋼橋疲勞分析案例鋼橋的疲勞裂紋一般是由焊接缺陷、結(jié)構(gòu)的幾何形狀引起的應(yīng)

6、力集中、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變動(dòng)幅度以及重復(fù)加載等原因引起的。重復(fù)加載會(huì)引起疲勞裂紋發(fā)展，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起結(jié)構(gòu)破壞，因此對抗疲勞較弱的部位應(yīng)進(jìn)行分析確定其抗疲勞能力。1. 分析概要北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司2. 分析步驟1) 首先做結(jié)構(gòu)靜力分析確定最大和最小應(yīng)力的絕對值或者計(jì)算von Mises 應(yīng)力，從而獲得應(yīng)力幅。2) 當(dāng)作用應(yīng)力為變幅時(shí)，使用可將各應(yīng)力幅組成起來的雨流計(jì)數(shù)法(Rain flow counting)和S-N曲線計(jì)算。3) 考慮平均應(yīng)力的影響確定疲勞壽命和損傷度。 建模 - 線性靜力分析 - 應(yīng)力疲勞分析- 確認(rèn)分析結(jié)果 北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司3. 模型建立北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司本例題是介紹疲

7、勞分析的過程，省略了建模的過程。模型網(wǎng)格建立、邊界及荷載中的恒載與線性分析相同。此處，僅說明汽車荷載的施加。汽車荷載是按照BS5400規(guī)范中的320kN、4軸標(biāo)準(zhǔn)疲勞車加載的。并且，按照BS5400規(guī)范要求，單車道加載。加載位置，考慮到正交異性鋼橋面板疲勞薄弱處多為橋面板與橫隔板連接處、U型肋與橫隔板連接處等，本案例的加載位置選擇跨中橫隔板彎矩最大的影響線加載。4. 靜力分析北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司5. 疲勞分析北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司加載循環(huán)次數(shù)在本案例中，考慮了汽車荷載勻速通過橋面一次的加載，計(jì)算損傷度。用戶可以根據(jù)實(shí)際要考慮的時(shí)間區(qū)段內(nèi)，模型車通過的次數(shù)，循環(huán)加載計(jì)算該時(shí)間段內(nèi)的損傷度?？梢?/p>

8、通過勾選，Goodman或Gerber，考慮前面理論中的平均應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行疲勞分析。5. 疲勞分析北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司程序可以用直接輸入方式或函數(shù)方式自定義S-N曲線。 直接輸入方式是通過輸入疲勞分析用特性值，生成FEA中自帶的S-N 曲線。可以按照下面程序推薦的S-N曲線。這里疲勞極限Se值可以輸入1/2倍抗拉強(qiáng)度，也可以根據(jù)情況輸入用戶自定義的數(shù)值。5. 疲勞分析北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司BS 5400中，對鋼橋不同構(gòu)造細(xì)節(jié)分為9個(gè)等級。在本案例中，主要分析U型肋與橫隔板相接處的疲勞效應(yīng)。該部位為BS5400規(guī)范c細(xì)節(jié)分級。將對應(yīng)等級參數(shù)從表格中選取帶入S-N曲線方程式中，得到該分級的疲勞曲線

9、。5. 疲勞分析北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司應(yīng)力選項(xiàng)在對于鋼橋，一般選擇范梅塞斯應(yīng)力即可。類型則選擇了應(yīng)用較多的共享點(diǎn)的平均值。5. 疲勞分析北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司汽車荷載歷程曲線在結(jié)構(gòu)貼應(yīng)變片，實(shí)測應(yīng)變記錄后與靜力加載條件下應(yīng)變結(jié)果求比值得到。理想化汽車荷載時(shí)變函數(shù)，按節(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載施加，完成時(shí)程分析，得到應(yīng)變隨時(shí)程的結(jié)果后與靜力加載條件下應(yīng)變結(jié)果求比值得到。5. 疲勞分析北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司變幅-常幅 計(jì)算損傷度FEA將組合為一個(gè)疲勞荷載得到的變幅應(yīng)力通過雨流計(jì)數(shù)法轉(zhuǎn)換為多個(gè)等幅應(yīng)力，再適用前面理論中的Miner線性累計(jì)損傷法則，求解損傷度。計(jì)算損傷度通過應(yīng)力幅得到各自幅的壽命，再通過各自的次數(shù)得到損傷度，最后線性累加得到總損傷度。